Магнитная цепь машины. Размеры, конфигурация, материал

Последовательность расчета	Условные обозначения	Источник	Двигатель № 1	Двигатель № 2
Главные размеры
	h, мм	табл. 10-1		¾
	h, мм	табл. 10-1	¾
	Dкорп, мм	(1-27), рис. 1-3	2(160–6)=308	2(280–8)=544
	Dн1, мм	(1-29), табл. 10-3
	Dн2, мм	рис. 10-1, табл. 10-3
	kн	рис. 10-2	0,915	0,94
	kт	рис. 10-3	0,978	0,99
	h', о. е.	рис. 10-4	0,82	0,905
	Р', Вт	(1-25)
Принимаем изоляцию класса нагревостойкости F
	А'2, А/см	рис. 10-5, , табл. 10-5		0,98×403=395
	В'd, Тл	рис. 10-5, б, табл. 10-5	0,615	0,94×0,765=0,72
	α'	рис. 10-6	0,62	0,653
	'2, мм	(1-32)
	l	(10-1)	152/160=0,95	301/290=1,04
	lmax	рис. 10-7	1,34	1,2
Сердечник якоря Принимаем для сердечника якоря: сталь 2013, толщина 0,5 мм, листы сердечника якоря лакированные; форма пазов для двигателя №1 полузакрытая овальная, для двигателя №2 – открытая прямоугольная; род обмотки для двигателя №1 двухслойная всыпная, для двигателя №2 – двуслойная из жестких секций; скос пазов для двигателя №1 на ½ зубцового деления, для двигателя №2 – на 1 зубцовое деление.
	kс	§10-3	0,95	0,95
	bc, мм	табл. 10-6	0,2	0,3
	hс,мм	То же	¾	0,3
	2, мм	§10-3
	эф2, мм	(10-2)	0,95×155=147,2	0,95×300=285
	nk2	§10-3	¾
	dk2, мм	§10-3	¾
	D2, мм	рис. 10-10
Сердечник главных полюсов Принимаем для сердечников главных полюсов сталь 3411, толщина 1 мм, листы сердечников полюсов неизолированные; компенсационная обмотка не требуется; вид воздушного зазора между главными полюсами и якорем эксцентричный.
	Kc	§10-3	0,98	0,98
	2p	§10-3
	, мм	рис. 10-13	1,6	2,7
	, мм	(10-4)	1,6/1,5=1,07	2,7/1,5=1,8
	, мм	(10-4)	2×1,6=3,2	2×2,7=5,4
	П,мм	§10-3
	мм	(1-19)	p×160/4=125,6	p×290/4=227,6
	, мм	(10-5)	0,62×125,6=77,9	0,653×228=148,9
	, мм	(10-6)
	, Тл	§10-3	1,45	1,65
	, Вб	(10-8)	0,615×77,9×155×10-6=7,43×10-3	0,72×148,9×300×10-6=32,16×10-3
	эф.П, мм	(10-9)	0,98×155=151,9	0,98×300=294
	, мм	(10-10)
	, мм	§10-3	0,1×40=4	0,08×80 » 6,5
	, мм	(10-11)
Сердечники добавочных полюсов Принимаем для сердечников добавочных полюсов сталь марки 3411 толщиной 1 мм, листы сердечников полюсов неизолированные.
	kc	§10-3	0,98
	2рд	§10-3
	н.д,, мм	§10-3
	д, мм	§10-3	155–2×5=145
	b'д, мм	рис. 10-15
	d'д, мм	рис. 10-16	3,3	5,4
Станина Принимаем монолитную станину из стали марки Ст3.
	1, мм	§10-3	155+0,65×125,6 » 235	300+0,65×227,6 » 450
	B'с1, Тл	§10-3	1,15	1,25
	hc1, мм	(10-12)
	hc1, мм	рис. 10-17
	Bс.п, Тл	(10-13)
	B'с.п доп, Тл	§10-3	1,7	1,7
	D1, мм	(10-14)	308–2×17=274	544–2×34=476
	hп, мм	(10-15)
	hд, мм	(10-16)

На длину станины ₁ влияет выбранная форма подшипниковых щитов ¾ глубокие, мелкие или плоские. Минимальная длина станины должна быть такой, чтобы станина перекрывала лобовые части катушек главных и добавочных полюсов, а также соединения компенсационной обмотки.

При 2р=2 длина станины _{1 2}+0,5t, при 2р=4 длина станины _{1 2}+0,65t; высота станины (мм)

(10-12)

k_c=1—для монолитной станины; В'_с1 ¾ предварительная магнитная индукция в станине, Тл:

Для шихтованных станин значение B_с1 может быть увеличено до 1,5 Тл.

Для проверки приемлемости полученного значения h_c1 на рис. l0-17 приведены средние значения h_c1, применяемые на практике. Магнитная индукция в месте распространения магнитного потока в станине при входе его в главный полюс

. (10-13)

Рис.10-17 Среднее значение h_c1=f(D_н2).

Если значение В_с.п>1,7 Тл, то h_с1 увеличивают.

Внутренний диаметр монолитной станины или шихтованного сердечника станины (мм)

. (10-14)

Высота главного и добавочного полюсов (мм)

; (10-15)

, (10-16)

где 4d или 4d_д учитывает кроме двух воздушных зазоров необходимость расположения стальных прокладок между станиной и полюсами, предназначенных для регулирования воздушного зазора; в машинах большой мощности (h 355 мм) эти прокладки между станиной и добавочными полюсами могут выполняться из немагнитного материала, например из латуни.

§ 10-4. Обмотка якоря

Основные положения. Якорь выполняет в машине постоянного тока важную роль при передаче и преобразовании энергии в машине, поэтому определение параметров обмотки якоря требует особой внимательности. Неудачный выбор параметров может отразиться на всех дальнейших этапах расчета и на технико-экономических показателях машины.

Расчет обмотки охватывает следующие основные этапы: определение количества параллельных ветвей и типа обмотки якоря; определение количества пазов, витков и коллекторных пластин, шагов обмотки, количества и шага уравнительных соединений; расчет размеров пазов и проводов обмотки; определение сопротивления обмотки и длины вылета лобовой части обмотки; проверка уровня удельной тепловой напряженности обмотки от электрических потерь в обмотке.

Типы обмоток. Предварительное значение тока (А) якоря

у двигателей

; (10-17)

у генераторов

, (10-18)

где Р₂—номинальная отдаваемая мощность, Вт.

Тип обмотки якоря, определяемый количеством главных по­люсов 2р и током якоря ₂, принимают по табл. 10-7.

Таблица 10-7

Тип Обмотки	Количество полюсов 2р	Ток 2, A
Простая петлевая		¾
Простая волновая		До 700
Простая петлевая и лягушечья		Свыше 400 до 1600
Двухходовая петлевая и лягушечья		Свыше 1300

При выборе петлевой или лягушечьей обмотки следует учитывать, что для быстроходных машин (окружная скорость якоря ₂ >40 м/с) и для машин, работающих с высокими перегрузками ( _max/ _H >2), более целесообразно применение лягушечьей, а для остальных машин — петлевой обмотки. Окружная скорость якоря (м/с)

(10-19)

Основные свойства разных типов обмотки якоря, в том числе условия симметрии, количество параллельных ветвей 2 , количество секций, расположенных по ширине паза N_ш, количество пазов якоря Z₂ и коллекторных пластин К, обеспечивающих снижение пульсаций магнитного потока и улучшенные коммутационные параметры, а также формулы определения шагов обмотки подробно освещены в учебниках по электрическим машинам. Все рекомендации для машин с 2р=2 и 2р=4 приведены в табл. 10-8.

Таблица 10-8

Тип обмотки

2р

2

Z2

К

Z2 / p

К / р

Nш

уп

у = ук

у1

у2

уур1

уур2

Простая петлевая равносек-ционная

Четное     4N +2

Четное     »

Четное     Нечет- ное

Четное или нечет ное   Нечет- ное

2; 3; 4; 5   3; 5

Z2 / 2 –1   Z2 / 2p ε = целое число

1     1

Nшуп   Nшуп

у1 – у у1 - у

— K/p

—     —

Двухходовая петлевая ступенчатая

Четное

Четное

Четное

Четное

2; 3;

Ступенчатое

2

К / 2p 1

К / 2p 1

К/р

К/р

Простая волновая равносек-ционная

Нечетное

Нечет-ное

Дробное с полови-ной

Дробное с полови-ной

3; 5

Z2 / 2p ε =целое число

Nшуп

у – у1

—

—

Простая волновая ступенчатая

Нечетное

Нечет-ное

Дробное с полови-ной

Дробное с полови-ной

3; 5

Ступенча-тое

K2 / 2p ε =целое число

у – у1

—

—

Лягу шечья равно-секционная разрезная

Петл-евая

4m

Четное

Четное

Нечет-ное

Нечет-ное

3; 5

Z2/2p e = целое число

m

Nшуп

Nшуп m

¾

¾

Вол-но-вая

4m

Z2/2p e

K/p m

K/p - Nшуп

Nшуп m

¾

¾

Примечание: 1. у₁ и у₂ - первый и второй частичные шаги по элементарным пазам; у -результирующий шаг по элементарным пазам; у_п - шаг по реальным пазам; у_ур1 и у_ур2 – шаги уравнительных соединений первого и второго рода соответственно; - укорочение шага обмотки; m – количество ходов обмотки.

2.В выражениях для у₁ и у₂ – двухходовой петлевой ступенчатой обмотки знаки перед единицей должны быть разными.

3. В выражениях для у_п петлевой и волновой обмоток, составляющих лягушечью, знаки перед должны быть разными; в выражениях для у = у_к указанных обмоток знаки перед m также должны быть разными.

4. Здесь N – любое целое число.

Рассмотрим некоторые особенности обмоток, которые следует учитывать при проектировании машин. Простая петлевая обмотка выполняется равносекционной. Уравнительные соединения первого рода располагают по одному на один или два паза якоря. Площадь поперечного сечения уравнителей составляет около 30% площади поперечного сечения эффективного проводника. У машин с 2р=2 надобность в уравнительных соединениях отпадает. На рис. 10-18, приведена развернутая схема равносекционной простой петлевой обмотки с уменьшенным числом пазов и коллекторных пластин.

Рис. 10-18.Развернутые схемы обмоток якоря:

–простая петлевая равносекционная 2р=4;

2 =4; Z=18; К=54; N_ш=3; у_П=4; у₁=12; у_К=у=1;у₂ =11; у_УР1=27.

Двухходовая петлевая обмотка, выполняемая двукратнозамкнутой, ступенчатой (для улучшения коммутационных параметров), имеет уравнительные соединения как первого, так и второго рода. Число уравнительных соединений первого рода должно быть не менее одного на две-три коллекторные пластины. Соотношение площадей поперечного сечения уравнительных соединений и эффективных проводников такое же, как у простой петлевой обмотки.

Простая волновая обмотка обычно выполняется равносекционной; у машин с h 355 мм для улучшения коммутации применяют ступенчатую обмотку. В отдельных случаях используют несимметричную равносекционную обмотку с «мертвой» секцией, которая не присоединяется к коллектору. Такое исполнение в машинах мощностью до 100 кВт и при K>100 не ухудшает комму­тации. На рис. 10-18,б приведена для примера развернутая схема равносекционной простой волновой обмотки с уменьшенным числом пазов и коллекторных пластин.

Рис. 10-18.Развернутые схемы обмоток якоря:

б–простая волновая равносекционная 2р=4;

2 =2; Z=13; К=34; N_ш=3; у_П=3; у₁=9; у_К=у=19; у₂=10.

Лягушечья обмотка имеет одинаковое число параллельных ветвей в составляющих ее петлевой и волновой обмотках, поэтому волновую обмотку выполняют многоходовой однократнозамкнутой. Площади поперечного сечения проводников каждой из обмоток одинаковые. Проводники располагают в четыре слоя по высоте паза: крайние принадлежат волновой, а средние ¾ петлевой обмотке. К каждой коллекторной пластине присоединяют четыре эффективных проводника — два от петлевой и два от волновой обмотки.

При расчете лягушечьей обмотки целесообразно рассматривать ее как петлевую с двумя параллельными проводами по высоте паза; при этом условия выполнимости, расчет шагов и конструкция изоляции должны соответствовать лягушечьей обмотке.

Количество витков обмотки и коллекторных пластин. Предварительное количество витков обмотки якоря

. (10-20)

Для лягушечьей обмотки значение соответствует числу витков каждой из составляющих обмоток — петлевой и волновой.

Предварительное количество витков в секции для машин с полузакрытыми пазами якоря

. (10-21)

Полученное значение может быть целым числом или целым числом с дробью, так как всыпная обмотка из круглых проводов допускает разное число витков в секциях, расположенных в одном пазу. Например, при трех секциях в пазу (N_ш=3) и числе витков в секциях 4—5—4 среднее значение = 4^1/3 .

У машин с открытыми пазами якоря и обмоткой из прямоугольных проводов предварительное значение

. (10-22)

Полученное число округляют до ближайшего целого значения .

Предварительное количество пазов якоря

, (10-23)

где N_ш принимают в зависимости от 2р и типа обмотки из табл. 10-8; Z'₂—округляют до ближайшего значения Z₂, удовлетворяющего условиям той же таблицы.

Количество коллекторных пластин

. (10-24)

При выборе N_ш и Z₂ следует учитывать, что зубцовое деление по наружному диаметру якоря (мм)

(10-25)

не должно выходить за пределы:

Меньшие значения t₂ соответствуют меньшим h.

Наружный диаметр коллектора связан с наружным диаметром якоря и конструкцией коллектора (с петушками или без петушков). Коллекторы без петушков применяют в якорях с полузакрытыми пазами в тех случаях, когда концы проводов обмотки могут быть заложены в канавки, выфрезерованные в пластинах коллектора. Возможность эта определяется величиной произведения 2сd, которое не должно превышать 9 мм (здесь с — число элементарных проводов в эффективном проводнике; d — диаметр неизолированного провода, мм). При больших значениях этого произведения, а также в якорях с открытыми пазами и прямоугольными проводами применяют коллектор с петушками.

Наружный диаметр коллектора при полузакрытых пазах якоря и отсутствии петушков на коллекторе (мм)

(10-26)

при открытых пазах якоря и наличии петушков на коллекторе (мм)

(10-27)

Диаметр D_k по ГОСТ 19780 округляют до ближайшего значения предпочтительного ряда: 56; 63; 71; 80; 90; 100; 112; 125; 140; 160; 180; 200; 224; 250; 280; 315; 355; 400; 450; 500 мм.

Коллекторное деление (мм)

. (10-28)

Минимально допустимое коллекторное деление t_{к min} определяется технологией изготовления коллектора:

При значении t_к<t_кmin уменьшают количество коллекторных пластин путем увеличения количества витков секции , либо путем перехода на другой тип обмотки якоря с уменьшенным количеством параллельных ветвей. После этого должно быть проверено максимальное напряжение между соседними коллекторными пластинами при нагрузке (В)

. (10-29)

Коэффициент искажения поля k_и равен отношению максимальных значений магнитной индукции при нагрузке и при х. х. На это отношение влияет величина и форма воздушного зазора машины, а у двигателя также диапазон регулирования частоты вращения ослаблением поля главных полюсов. Средние значения k_и = f (n_max / n_н) двигателей без компенсационной обмотки, имеющих эксцентричный зазор, приведены на рис. 10-19. При наличии компенсационной обмотки k_и =1.

Рис. 10-19. Коэффициент искажения поля k_и=f (n_max/n_н)

для некомпенсированных двигателей с эксцентричным зазором.

Значения U_кmах не должны превышать приведенных ниже:

После указанной проверки U_кmax уточняют число витков обмотки якоря

. (10-30)

Для лягушечьей обмотки w₂ равно количеству витков каждой из соответствующих обмоток.

В пазу количество эффективных проводников

(10-31)

ток в пазу (А)

.(10-32)

Значение _п2S не должно превосходить 1500 А.

Если w₂ отличается от w'₂, более чем на 5%, то корректируют предварительное значение магнитного потока (Вб)

, (10-33)

и магнитной индукции в воздушном зазоре (Тл)

. (10-34)

Уточненная линейная нагрузка якоря (А/см)

(10-35)

Полученное при расчете значение А₂ не должно отличаться от принятого при определении главных размеров более чем на 10%; в ином случае следует применять обмотку якоря с измененным количеством витков.

Обмотка якоря с овальными полузакрытыми пазами. Полузакрытые пазы якоря применяют в основном овальной формы (рис. 10-20).

Рис. 10-20. Форма и размеры полузакрытого овального паза якоря.

При этом радиусы r₁ и r₂ принимают такими, чтобы стенки зубцов были параллельны (b_з2=const) на протяжении расстояния h₁. Обеспечиваемое при этом постоянство магнитной индукции B_з2 по высоте указанного участка зубца уменьшает МДС для зубцов. Примерные значения высот пазов h_п2 приведены на рис. 10-21.

Рис. 10-21. Средние значения

h_п2=f(D_н2).

Чем больше принимаемое значение h_п2, тем меньше высота спинки якоря h_с2 и соответственно больше магнитная индукция в спинке B_c2. Если при проверке расчетом предварительное значение В_с2' превысит предел, указанный в табл. 10-9, высоту паза h_п2, принятую из рис. 10-21, снижают.

Таблица 10-9

Примечание. Для машин со степенями защиты IP22 и IP44, со способами охлаждения IC17 и IC37 значение В_с2 принимают, как для машин со степенью защиты IР22 и со способом охлаждения IC01.

Расчет размеров зубцовой зоны (зубцов и пазов) якоря начинают с определения ширины зубца b_з2, а затем радиусов r₁ и r₂. Для контроля определяют значения b_з2 (мм), соответствующиевычисленным r₁ и r₂:

(10-36)

(10-37)

Значения b_з2 из этих формул должны быть практически одинаковыми и равными b_з2 из (10-42).

Для обмоток якорей с полузакрытыми пазами у машин с h=80¸200 мм применяют при изоляции класса нагревостойкости В провода марки ПЭТВ, класса F—провода ПЭТ-155, класса Н— провода ПЭТ-200 или ПСДКТ. Диаметр проводов выбирают таким, чтобы коэффициент заполнения паза

(10-38)

не превышал 0,75.

Здесь d' — диаметр изолированного провода; S_п2'' — площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой [см. (10-50)]. Количество элементарных проводов в одном эффективном с выбирают, исходя из того, чтобы диаметр провода без изоляции d не превышал 1,68 мм; причина этого ограничения заключается в затруднении с всыпанием проводов большего диаметра в пазы и в связи с этим в повышении возможности замыкания проводов в пазах.

Значения k_п выше 0,75 не следует применять, так как при этом обмотка укладывается в пазы под значительным механиче­ским воздействием, способным повредить изоляцию, что может повлечь за собой к. з. витков обмотки или пробой обмотки на корпус. При малых значениях k_п (менее 0,65), в связи с увеличением плотности тока в пазу, увеличивается температура обмотки. Это может потребовать удлинения сердечников статора и ротора. Кроме того, для уплотнения обмотки в пазу потребуются утолщенные клинья.

Уровень удельной тепловой нагрузки якоря от электрических потерь в обмотке в значительной мере определяет ожидаемое превышение температуры обмотки. Как показано в § 5-4, этот уровень характеризуется произведением линейной нагрузки обмотки на плотность тока в проводах — A₂J₂.

У спроектированной обмотки якоря определяют указанное произведение и сравнивают его со средним допускаемым значением из рис. 10-22. Для машин со способами охлаждения IC01, IС0141 и IC0041 значения A₂J₂ на рисунке соответствуют исполнению с изоляцией класса нагревостойкости F и с частотой вращения 1500 об/мин. При изоляции классов нагревостойкости В и Н, а также при частотах вращения, отличающихся от 1500 об/мин, принимаемое из рисунка значение A₂J₂ умножают на квадрат коэффициентов k₁² и k₄², где поправочный коэффициент k₁ (см. табл. 10-4) учитывает влияние на допускаемую удельную тепловую нагрузку изменения допускаемого превышения температуры при классах нагревостойкости изоляции В и Н, a k₄ (см. табл. 10-5)—влияние изменения эффекта охлаждения обмотки при других частотах вращения. У машин со способами охлаждения IC17 и IC37 значения A₂J₂ на рисунке также соответствуют изоляции класса нагревостойкости F; при классах В и Н принимаемое значение A₂J₂ умножают на квадрат коэффициента k₁². Частота вращения при этих способах охлаждения практически не влияет на эффект вентиляции и соответственно на допускаемое значение A₂J₂.

Рис. 10-22. Средние значения А₂ J₂=f(D_Н2) при классе нагревостойкости изоляции F:

1— исполнение по защите IР22, способ охлаждения IC01,

полузакрытые пазы якоря, частота вращения 1500 об/мин, число главных полюсов 2р=2;

2 — то же, что 1, но 2р=4; 3—IР22, IC01, открытые пазы, 1500 об/мин, 2р=4;

4— IP44, IC0141, полузакрытые пазы, 1500 об/мин, 2р=2; 5 — то же, что 4, но 2р=4:

6 — IP44, IC0041, полузакрытые пазы, 1500 об/мин, 2р=2; 7 — то же, что 6, но 2р=4:

8 — IР22 или IP44, IC17 или IC37, полузакрытые пазы, все частоты вращения, 2р=4;

9 — то же, что 8,но открытые пазы.

У двигателей со степенью защиты IP22 и способом охлаждения IC06 допускаемое значение A₂J₂ принимают, как при способе охлаждения IC17, а у двигателей со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0641, вне зависимости от частоты вращения, как у двигателей со способом охлаждения IC0141 при n=1500 об/мин.

Если полученный при расчете машины показатель A₂J₂ превышает допускаемое значение более чем на 15%, следует повысить площадь поперечного сечения провода, высоту h_п2 и площадь поперечного сечения паза S_п2" с учетом того, чтобы значение В_с2 не превысило при этом пределов, указанных в табл. 10-9; другим способом является удлинение сердечника якоря — при этом увеличится магнитный поток Ф' и уменьшится количество проводников в пазу, либо количество пазов якоря.

Сопротивление обмотки якоря при t=20°С, вычисленное по (10-58) и выраженное по (10-59) в о. е., сопоставляют (для контроля вычислений) со значением, определяемым по формуле

(10-39)

Размеры овальных полузакрытых пазов и проводов, а также значения сопротивления обмотки якоря определяют в такой последовательности.

Высота паза (мм)	hп2 – из рис. 10-21
Высота спинки якоря (мм)		(10-40)
Предварительная магнитная индук- ция в спинке якоря (Тл)		(10-41)
То же, допускаемое значение	Вс2 – из табл. 10-9
Предварительная магнитная индук- ция в зубцах (Тл)	В'з2 – из табл. 10-10
Ширина зубца (мм)		(10-42)
Высота шлица паза (мм)	hш2=0,8
Радиус паза больший (мм)		(10-43)
То же, меньший		(10-44)
Ширина зубца (мм)	bз2 - по (10-36)
То же, контрольное значение	bз2 - по (10-37)
Расстояние между центрами радиу- сов (мм)		(10-45)
Площадь поперечного сечения паза в штампе (мм2)		(10-46)
Площадь поперечного сечения паза в свету (мм2)		(10-47)
Площадь поперечного сечения кор- пусной изоляции (мм2)		(10-48)
То же, клина и прокладок		(10-49)
Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой (мм2)		(10-50)
Предварительный диаметр провода с изоляцией (мм)	d' =	(10-51)
Ближайший меньший стандартный диаметр провода с изоляцией и без изоляции (мм)	d'/d — из приложения 1
Уточненный коэффициент заполнения паза	kп - пo (10-38)
Площадь поперечного сечения про- вода без изоляции при принятом диаметре (мм2)	S — из приложения 1
Плотность тока в обмотке (А/мм2)		(10-52)
Удельная тепловая нагрузка якоря от потерь в обмотке [А2/(см×мм2)]	A2J2	(10-53)
То же, допустимое значение	A2J2 - из рис. 10-22
Среднее зубцовое деление якоря (мм)		(10-54)
Средняя ширина секции обмотки (мм)		(10-55)
Средняя длина одной лобовой ча- сти секции (мм)		(10-56)
Средняя длина витка обмотки, мм		(10-57)
Сопротивление обмотки при темпе- ратуре 20 0С (Ом)		(10-58)
То же, в относительных единицах		(10-59)
То же, контрольное значение	r2* - по (10-39)
Длина вылета лобовой части обмот- ки, мм		(10-60)

Здесь b_и — односторонняя толщина корпусной изоляции, равная 0,35 мм (при высоте оси вращения машины h=80¸112 мм) и 0,5 мм (при h=132¸200 мм).

Таблица 10-10

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: